PSPICE. Einführung in die Elektroniksimulation. 4 Die Transienten-Analyse (PSPICE als Oszilloskop)

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1 PSPICE Einführung in die Elektroniksimulation Gliederung 1 Installation Studentenversion PSPICE Zeichnen von Schaltplänen 3 Gleichstrom-Simulation 4 Die Transienten-Analyse (PSPICE als Oszilloskop) 5 Der AC-Sweep (Frequenzgänge) 6 Einstieg in die Digital-Simulation Literatur: R. Heinemann: PSpice, Einführung in die Elektroniksimulation, Carl Hanser Verlag München Wien,

2 2 Zeichnen von Schaltplänen Schematics aus dem Menü PSpice Student anklicken, es öffnet sich das Arbeitsfeld des Schaltplan-Editors. Speichern unter Ueb, ohne.sch, das automatisch ergänzt wird. Mittels Draw in der oberen Menüleiste und Get New Part öffnet sich der Part Browser Basic. Durch Anklicken der Schaltfläche Libraries gelangt man zu den Bibliotheken der Bauelemente Library. Für die erste Schaltung wird die Bibliothek ANALOG.SLB ausgewählt. Sie bietet die elementaren Bauelemente Widerstand R, Kapazität C und Induktivität L. Um z.b. einen Widerstand auf das Arbeitsfeld zu bringen, R einfärben und mit OK zum Part-Browser zurückkehren. Nach Schließen durch Close erscheint das Schaltzeichen auf der Arbeitsfläche und lässt sich beliebig verschieben. Ein Markieren von R (linke Maustaste, rote Färbung) platziert das Bauelement und erlaubt Löschen mit Entf. Eine Vervielfältigung durch die linke Maustaste wird durch die rechte beendet. Drehung von Bauelementen durch Tasten <Strg><r>. Bei Widerständen, Kondensatoren und Spulen hat der linke bzw. der untere Anschluss (gedreht) die 1 als Bezeichnung, der andere Pin die Bezeichnung 2. Zum Zeichnen der Verbindungslinien im Menü Draw das Wire (Draht) aktivieren. Mit dem Bleistift geht man auf den Anschluss (Klick linke Maustaste) und führt die Linie zum nächsten Bauelement (eine Ecke ist möglich), mit Klicken ist die Verbindung hergestellt. Bei mehreren Ecken ist jeweils ein Klick erforderlich. Das Symbol für die Masse findet man unter dem Namen AGND (Analog Ground) in der Bibliothek PORT.SLB. Sie ist unbedingt erforderlich, da die Spannungen an den Knoten gegen Masse gemessen werden. Eine Gleichspannungsquelle VDC findet man in der Bibliothek Source.slb. Einstellen der Gleichspannung DC=10V nach Doppelklick auf das Schaltzeichen. Durch Doppelklick auf Namen und Wert der Bauelemente lassen sich Modifikationen vornehmen. Die Norm verlangt, dass Bauteilnamen und werte links oder oberhalb der Schaltzeichen stehen. Löschspuren bei Schematics beseitigt man mit der Auffrischungsfunktion View/Redraw. 58

3 3 Gleichstrom-Simulation Es werden die stationären Strom- Spannungsverhältnisse in dem Schaltkreis bestimmt (keine Zeitabhängigkeit). Spannungen an den Knoten gegen Masse heißen Potenziale, die Spannung über einem Bauelement ergibt sich als Differenz der Potenziale der beiden Anschlüsse. Potenziale und Strom der Reihenschaltung Ueb.sch: Menü Analysis öffnen und Simulation durch Simulate starten. Es öffnet sich das Probe- Fenster, das gleich wieder geschlossen werden kann. Zur Anforderung der Ergebnisse (falls nicht angezeigt) im Menü Analysis das Display Results on Schematic wählen und darin die Optionen Enable, Enable Voltage und Enable Current markieren (quittiert durch Haken). Die Anzeige kann übersichtlicher werden, wenn man unerwünschte Angaben löscht, indem diese Angaben markiert und mit der Taste <Entf> gelöscht werden. Es wird auch die Stromrichtung angezeigt. Das Output-File Starten der Simulation durch Simulate im Menü Analysis bzw. durch Anklicken der Schaltfläche Simulate. Aus dem Probe-Fenster (probe untersuchen) öffnen des Output-Files mittels View und Output-File. In der Schematics Netlist jedes Bauelement mit Angaben: - Typ des Bauelements (z.b. V für Spannungsquellen), - Name des Bauteils auf dem Schaltplan (z.b. RL), - Namen der Knoten, an die es angeschlossen ist, - Dimension des Bauteils (z.b. k kω, u μf). Der Masse-Knoten heißt immer 0, die übrigen Knotennamen in der Reihenfolge der Platzierung. Die Numerierung beginnt bei $N_0001. In der Schaltung Ueb.sch ist $N_0001 der linke Knoten von Rv, $N_0002 sein rechter Knoten. 59

4 Unter Schematics Aliases gibt es eine Alias-Liste der Reihenschaltung, z.b. erhalten die mit Rv verbundenen Knoten ($N_0001 und $N_0002) zwei neue Namen, die Alias-Namen Rv:1 und Rv:2. PSpice bietet Alias-Namen der Knotennamen für die Nutzung im Probe-Fenster. - Spannung zwischen Knoten $N_0001 und Masse: V($N_0001) V(U1:+) V(Rv:1) Spannung zwischen Knoten $N_0002 und Masse: V($N_0002) V(Rv:2) V(RL:2). 4 Transienten-Analyse Zeitabhängige elektrische Vorgänge werden mit der Transienten-Analyse untersucht. Sie ist Simulation im üblichen Sinne als dynamischer Prozess. Untersuchungsgegenstand ist die Schaltung RC-Schalt.sch. Der Kondensator wird zunächst über R1 aufgeladen und nach dem Umschalten wieder entladen. Neu ist hier der Umschalter Sw_perChange aus der Bibliothek MISC.SLB mit folgenden Parametern (Doppelklick): Nach Ablauf von t_d=5ms zum ersten mal Umschalten von 1 nach 2. Anschließend würde der Schalter t_2=5gs (160 Jahre) in der Lage 2 bleiben und wechselt danach wieder zu 1. Die Umschaltzeit beträgt hier t_switch=1us, d.h. 1μs. Der Kondensator soll anfangs ungeladen sein, d.h. das Attribut IC=0 ist zu setzen. Zur Vorbereitung der Simulation das Fenster Analysis Setup öffnen und die Schaltfläche Transient anklicken. In das Menü die Final Time: 10ms und das Step Ceiling: 1us als maximale Schrittweite eintragen (ceiling obere Grenze). Abschließend Fenster Transient mit OK schließen und danach das Fenster Analysis Setup mit Close. Starten der Simulation durch die Schaltfläche Simulate, es öffnet sich das Probe-Fenster. Es soll u c (t) dargestellt werden. Im Menü Trace das Untermenü Add Trace öffnen und die Option Subcircuits ausschalten. Von den Spannungen V(C1:2) am oberen Pin des Kondensators auswählen. Es erscheint die gewählte Zeitfunktion zwischen 0V und +1V. 60

5 Eine zweite y-achse fügt man ein, indem im Menü Plot das Add Y Axis aktiviert wird. Die gerade aktive y-achse ist mit dem Zeichen >> markiert. Wechsel durch Anklicken der nicht-aktiven y-achse. Der Strom I(R1) soll zusätzlich angezeigt werden. Anhand der RC-Reihenschaltung soll gezeigt werden, wie die Spannung über einem Bauelement dargestellt werden kann. Als Spannungsquelle jetzt ein Sinus-Generator. File: RC_Sin.sch Im Attributfenster folgende Einstellungen vornehmen: FREQU=1kHz (Frequenz), VAMPL=1V (Amplitude),VOFF=0 (Offsetspannung). DF, TD und PHASE können auf den voreingestellten Werten bleiben, die Attribute DC und AC 61

6 haben für die Transienten-Analyse keine Bedeutung und können leer bleiben. Die Werte der Attribute VAMPL und FREQU sollen im Schaltplan sichtbar sein. Nach Analysis /Setup das Fenster Transient öffnen und als Final Time: 4ms eintragen, für Step Ceiling: 4u (d.h. 4μs). Anstatt der Potenziale an den Klemmen von R1 lässt sich die Spannung über dem Widerstand als Differenz der Knotenpotenziale V(R1:1)-V(R1:2) darstellen. Durch Doppelklick auf Leitungsabschnitte lassen sich den Potentialen dort weitere Alias- Namen zuordnen. Hier werden die Namen in und out zusätzlich verwendet. Sie erscheinen anstelle von V($N_0001) und V($N_0002) in der Liste Add Trace. 62

7 PSpice zählt Ströme positiv, wenn sie von Pin 1 zu Pin 2 fließen. Das ist zu beachten, wenn man Strom und Spannung über dem Kondensator betrachtet. Das wäre hier der Strom von unten nach oben - wegen der Rotation um 90 Grad im mathematisch positiven Sinne, angezeigt werden soll aber der Strom von oben nach unten I(C1). Strom- und Spannungsverlauf über dem Kondensator Wegen i = C du/dt für den Kondensator und Sinusverlauf der Spannung u = u m sin ωt hat der Strom i = Cu m ω cos ωt eine Phasenverschiebung von π/2 gegenüber seiner Spannung. 63

8 5 Der AC-Sweep (Frequenzgänge) Die AC-Analyse (Alternating Current, Wechselstrom) setzt voraus, dass die zu untersuchende Schaltung linear ist. Alle RLC-Schaltungen sind linear, nichtlineare Kennlinien werden automatisch um den Arbeitspunkt durch Tangenten ersetzt. Der AC-Sweep verwendet sinusförmige Quellen mit einer Reihe von diskreten Frequenzen zur Bestimmung von Amplituden- und Phasengängen. In der AC-Analyse werden alle Gleichspannungsquelle durch Kurzschlüsse, alle Gleichstromquellen durch unendlich große Widerstände ersetzt. Beispiel ist die RC-Schaltung RC_AC2.sch mit Sinus-Quelle VSIN aus der Bibliothek SOURCE.SLB: Öffnen des Fensters Analysis/Setup und danach der Schaltfläche AC Sweep... Im Fenster AC Sweep and Noise Analysis den Frequenzbereich von 10 Hz bis 999 khz (Werte 10 und 999k) mit insgesamt Punkten und linearer Frequenzfolge wählen. Nach der Simulation V(C1:2) in Probe darstellen. Zur Darstellung des Amplitudengangs im Menü Plot die Option Axis Settings... aufrufen, dann X Axis und unter Scale die Option Log für eine logarithmisch skalierte Frequenzachse. Einfach logarithmische Darstellung des Amplitudengangs 64

9 Doppelt logarithmische Darstellung des Amplitudengangs Durch Betätigen der Schaltfläche mit der stilisierten logarithmischen x-achse Wechsel zwischen linear und logarithmisch. Doppelt logarithmische Darstellung durch Schaltfläche mit stilisierter logarithmischer y-achse. Eine logarithmische Verteilung der Datenpunkte kann erforderlich sein. Beispiel: RC- Schaltung mit R = 1000 Ω. Der erste Datenpunkt ist bei 10 Hz, der nächste erst hinter 100 Hz, so dass ein Knick in der einfach logarithmischen Darstellung entsteht, File: RC_1000.sch Im Menü AC Sweep and Noise Analysis jetzt Decade markieren und als Punkte pro Dekade Pts/Decade 100 wählen. Das wären bei den vorgesehenen 5 Dekaden 500 Punkte und ein glatter Verlauf. File: RC_1000a.sch Diagramme aus verschiedenen Simulationen lassen sich gemeinsam darstellen. Ausgangsgrafik ist der Verlauf von RC_AC2.SCH (halblogarithmisch). Hierzu im Menü File des Probe-Fensters den Befehl Append aktivieren und das File RC_1000a.dat öffnen, um den Amplitudengang mit dem Widerstand R1 = 1000 Ω hinzuzufügen. Ergebnisse von RC_AC2.sch und RC_1000a.sch 65

10 6 Digital-Simulation - PSpice als statischer Logik-Analysator Zeichnen Sie die folgende Schaltung mit den digitalen Bauelementen aus der Bibliothek EVAL.SLB. Das Label out durch Doppelklick auf das Leitungsstück eintragen, Speichern der Schaltung unter Digi1.sch. Die Spannungen U 1, U 2 und U 3 lassen sich wahlweise auf die TTL-Pegel L = 0 V oder L =5 V setzen. Damit findet eine Logikanalyse statt. Eine Transienten-Analyse mit Default-Setup aktivieren, indem im Fenster Analysis Setup die kleine Fläche vor Transient einen Haken bekommt und Analysis Setup gleich wieder verlassen wird. Die Simulation starten und Probe-Fenster schließen. In Schematics zur Anzeige der Pegel die Schaltfläche V betätigen. Gemischte Digital- Analogschaltung mit Treiberbaustein für eine Anzeigelampe (Innenwiderstand R 1 = 200 Ω) am Ausgang des X-OR-Glieds und logischen Signalquellen Digi4a.sch. Ohne Treiberbaustein 7405 würde die Spannung 2,075 V betragen, Spannungen zwischen 0,8 V und 2 V gelten in der TTL-Technik als unbestimmte Zustände. Außerdem besteht die Forderung, einen TTL-Störabstand von 0,4 V einzuhalten. Danach wären am Ausgang des X-OR-Gliedes mindestens 2,4 V erforderlich. 66

11 Dynamische Digital-Simulation: Zeitablaufdiagramme Zwei hintereinander geschaltete Negatoren werden durch eine Impulsfolge VPULSE aus der Bibliothek SOURCE.SLB aktiviert. Die Quelle liefert periodische 5 V-Impulse mit einer Pulsweite PW = 0,5 ms und der Periodendauer PER = 1 ms. Übergänge in einer Mikrosekunde (TR = TF = 1μs). File: Digi5.sch Die Knoten werden mit ein, Mitte und aus gekennzeichnet, vor der Auswahl Subcircuit Nodes und Currents entfernen. An den Knoten, wo analoge und digitale Bauteile zusammen kommen, auch digitale Anzeige ein$atod, Mitte und aus$dtoa. Behandlung unbestimmter Schaltzeitpunkte Anstiegszeit und abfallende Flanke dauern jetzt 0,2 ms. Dabei durchläuft das Eingangssignal den digital unbestimmten Ambiguity-Bereich zwischen 0,8 V und 2 V. Hier zu einem unbekannten Zeitpunkt der Zustandswechsel. File: Digi5a.sch 67

12 Im Probe-Fenster werden Ambiguity-Bereiche digital durch Parallelogramme, analog durch konstante Spannung markiert. Digital-Spannungquellen Erzeugung eines 1-Bit-Stimulussignals mit der digitalen Stimulusquelle STIM1 aus der Bibliothek SOURCES.SLB: Das Attributfenster lässt 16 Kommandos zu, z.b. Command1=0ms 0 (0-Signal), Command2=0.5ms R (Ambiguity Anstieg), Command3=1ms 1 (1-Signal), Command4=1.5ms 0, Command5=4ms Z (hochohmig), Command6=4.5ms 0, Zeitintervall: 0 bis 5 ms, File: Digi6.sch 68

13 Besteht ein Stimulussignal aus der Aneinanderreihung gleichlanger Zeitabschnitte (Timesteps) oder ganzzahliger Vielfacher davon, so kann dann die Anzahl der Timesteps eingetragen werden, nach denen das betreffende Kommando erfolgen soll. Erzeugung eines periodischen Taktsignals Häufig werden periodische Taktsignale benötigt. Sie lassen sich mit dem Element DigClock aus der Bibliothek SOURCE.SLB leicht erzeugen. File: DigiClock.sch Attribute: ONTIME=1ms, OFFTIME=2ms, Zeitintervall: 0 bis 10 ms 69